Exceptions, Data Structures, Recursion & GUIs

Course III notes

• Exception 是一种 Object
• Exception 代表了某种出现在 runtime 时期的错误事件（exceptional event）。该事件会打断正常的程序流程。

• NullPointerException
• ArrayIndexOutOfBoundsException
• StringIndexOutOfBoundsException
• ArithmeticException
• ClassCastException
• IllegalArgumentException

throw 代表了一个处理 exception 的过程。该过程包括：

• 针对错误创建一个 exception object
• 将该对象递交给 JVM 进行处理，看是否有方法可以处理该异常

一个 InputMismatch 的例子：

Exception in thread "main" java.util.InputMismatchException
        // using throwFor as an operator to hand off the ecxcption to JVM
        at java.base/java.util.Scanner.throwFor(Scanner.java:939)
        // where the exception actually made
        at java.base/java.util.Scanner.next(Scanner.java:1594)
        // tracking calls which caused the exception
        at java.base/java.util.Scanner.nextInt(Scanner.java:2258)
        at java.base/java.util.Scanner.nextInt(Scanner.java:2212)
        // where exception started
        at FahrenheitToCelsiusExceptions.main(FahrenheitToCelsiusExceptions.java:6)

expection 的 throw 过程通常会在终端显示。这个过程被称为 call stack trace。这个过程展示了一系列的 method 导致了异常被抛出。stack 体现了这些 methods 的调用流程。

通常来说，JVM 会存储当前正在执行的 method 的状态：

• 在其调用另一个 method 之前，JVM 会存储其 local variables 和调用 method 的入口（referenece）
• 整个信息存储的数据结构就是一个 stack
• 当调用 Method 时，如果需要在当前 method 中调用其他 method：
  • 首先将当前 method 的信息存储压栈（push），再进行第二个 method 的调用
  • 如果当前 method 成功完成执行，则信息出栈 (pop)
• 可见 main() 是第一个压栈，最后一个出栈的。

Exception 类型存在以下继承关系：

• 最顶部的是 Throwable 类
• Error 代表了无法恢复的错误类型（比如内存不足）
• Exception 代表了可以处理的错误类型

Java 使用 try 和 catch 语句处理异常：

• 需要处理（catch） 的代码段应该放与 try block 中：

try {
    statement(s)
}

• 定义 exception 的类型：

catch (ExceptionType identifier)

• 对该类型的 exception 的处理方法放置于 catch block 中：

catch (ExceptionType identifier) {
    handleStatement(s)
}

try {
 statement(s);
} catch (ExceptionType1 identifier) {  
 statement(s);
} catch (ExceptionType2 identifier) {  
 statement(s);
}

• 对 try-catch block 使用循环反复检测时，需要将执行语句置于循环之外
• 如果是检查输入，每次检查之后都需要对 inputstream 使用 nextLine() 清理

public static void main(String[] args) {
    Scanner input = new Scanner(System.in);
    int fahrenheit = 0;
    boolean isValid = false;
    
    while(!isValid) {
        try {
            System.out.print("Enter a Fahrenheit value: ");
            fahrenheit = input.nextInt();
            isValid = true;
        } 
        catch (InputMismatchException e) {
            input.nextLine();
            System.out.println("Your input is not an int type.");
        }
    }
    double celsius = (5.0/9) * (fahrenheit - 32);
    System.out.printf("Fahrenheit: %d\n", fahrenheit);
    System.out.printf("Celsius:    %.1f\n", celsius); 
}

• 分离错误处理逻辑
• 可以将错误进行分类处理

每一个 catching 的分支完毕之后，都不会再继续执行其他的 catch。因此，error catching 分类的顺序是非常重要的。有两点需要注意：

• 更具体的 error catching 放在更前面：如果是泛用的异常（比如 Exception）在前，那么所有的 error 都会被该分支捕获，其他的分支永远不会被唤起。（Java 无法通过编译）
• 根据需求对 catching 分支排序。比如类型不匹配与除 0 两种处理，如果将类型不匹配（int）置于前面，那么输入 0.0 的时候抛出 InputMismatchException 而不是 ArithmeticException。
• 可以通过调用 getMessage() 和 getStackTrace() 获取更多异常的额外信息。

try {
    //...
}
catch (InputMismatchException ime) {
    input.nextLine();
    System.out.println("Your input is not an int type.");
}
catch (ArithmeticException ae) {
    input.nextLine();
    System.out.println(ae.getMessage());
    System.out.println(ae.getStackTrace());
}
catch (Exception e) {
    input.nextLine();
    System.out.println(e.getMessage());
}

如果希望将多个异常归于一类，使用 | 运算符并列多个 exception：

catch (InputMismatchException | ArithmeticException cbe) {
    input.nextLine();
    System.out.println("Invaild Input");
}

finally 修饰的 block 处于 try-catch block 的最后，代表无论是否出现异常都会执行的代码段。通常可以放一些必要的清理代码：

try {
    //....
} 
catch (Exception e) {
    System.out.println(e.getMessage());
}
finally {
    input.nextLine();
}

Java 中使用文件作为 Input 和 output 需要 4 个 package：

• io.File，这个 package 提供 File class。该类型对象接收一个 String 类型的路径用于读 / 写文件。
• io.FileNotFoundException，这个 pakeage 提供文件名不存在时的异常对象。
• util.Scanner，提供读取对象
• util.PrintWriter，提供写对象

Scanner 和 PrintWriter 的初始值推荐为 null。该值可以作为关闭流的条件：在没有文件路径的情况下，这些对象的默认是 null；这种情况下不需要关闭流。

//fileScan is an Scanner object, filePrint is an PrintWriter object
if(fileScan != null) {
    fileScan.close();
}
if(filePrint != null) {
    filePrint.close();

在有 File 类型的 Object 参与的程序中，FileNotFoundException 不可省略。但也无需为其指定 catch 分支；只需要声明（导入） FileNotFoundException 即可：

import java.io.FileNotFoundException;

1. 以具体路径为参数实例化 File 对象
2. 使用 Scanner 对象读取该 File 对象的内容
3. 使用 Scanner 的 method 对文件进行读取（比如 nextLine）

String inputFileName = "text.txt"
File fileIn = new File(inputFileName);
Scanner fileScan = new Scanner(fileIn);

1. 同样需要使用路径实例化的 File 对象
2. 使用 PrintWriter 对象读取该 File 对象的内容
3. 使用 各种 print 将内容写入到文件中

File fileOut = new File(keyword + "In" + inputFileName);
filePrint = new PrintWriter(fileOut);
filePrint.printf("Line %d contains %s\n",lineNum, keyword);

• String.contians(keyword)：检查 String 中是包含 keyword 关键字

我们可以对 exception 进行更加的特例化：只需要根据需求继承对应的 exception 类即可，比如：

public class DivideByZeroException extends ArithmeticException{
    public DivideByZeroException() {
        super("Divide by zero.");
    }
}

与 try-catch 不同，throw 允许我们手动引发异常：

fahrenheit = input.nextInt();
if (fahrenheit == 0) {
    throw new DivideByZeroException();
}

catch (DivideByZeroException de) {
    System.out.println("invalid number.");
}

Delimited Files，又称 CSV，是一种可以保证格式（persistent）的，用于存储结构性数据的文本文件。比如下面的数组：

public static void main(String[] args) {
    Wolf[] pack = {
        new Wolf(17.1, 2),
        new Wolf(3, 10),
        new Wolf(9.2, 7),
        new Wolf(9.1, 8),
    };

[Rank 2, Size 17.1, Rank 10, Size 3.0, Rank 7, Size 9.2, Rank 8, Size 9.1]

• 无法保证格式
• 无法保留结果
• 较大的数据可能无法一次性全输出

CSV 文件可以解决该问题。 CSV 文件是一种文本文件，其内部不同的数据使用逗号隔开。比如上面例子中的数据，写成 CSV 的格式：

2,17.1
10,3.0
7,9.2
8,9.1

输出 CSV 只要以上述的格式，使用 PrintWriter 对象将其输出到文本中即可：

File fileOut = new File("SortedWolves.csv");
PrintWriter filePrint = new PrintWriter(fileOut);
filePrint.println(wolf.getRank() + "," + wolf.getSize());

JAVA 中提供了 String.split(char) 方法用于按 char 分割字符串。返回的结果是一个包含了各个分割部分的 String[]。因此，如果将分割符设置为逗号，那么就可以从 CSV 文件中提取数据：

double[] allWeights = new double[10];
fileScan = new Scanner(fileIn);
String line = null;
while (fileScan.hasNextLine()) {
    line = fileScan.nextLine();
    tokens = line.split(",");
    allWeights[index] = Double.parseDouble(tokens[1]);
    index++;
}

split() 支持正则表达式（Regular Expressions)。下面是一个使用大写字母作为间隔的分割实例：

public static void main(String []args) {
    String chant = "Java Is The Best!";
    String[] tokens = chant.split("[A-Z]+");
    for (String x : tokens){
        System.out.println(x);
    }
}

Scanner 可以像处理 stream 一样处理 String（也就是其成员 method 都可以用于处理 String）。我们可以使用 useDelimiter() method 来指定间隔符，然后使用 next 系列 method 来读取每一个部分：

fileScan = new Scanner(fileIn);
String line = null;
while (fileScan.hasNextLine()) {
    line = fileScan.nextLine();
    wolfScan = new Scanner(line);
    wolfScan.useDelimiter(",");
    wolfScan.nextInt(); //consume unused rank token
    allWeights[index] = wolfScan.nextDouble();
    index++;
}

List Java 中以 Interface 的形式出现。不同类型的数据都会基于该 Interface 设计 class。LIst 的几个基本方法：

• add(E e)：添加元素
• clear() ：清空 List
• contains(Object o) ：查询是否包含某个元素
• remove(index) : 删除指定位置的元素
• size()：返回 List 大小

• an implementation of the List interface with an array as the underlying data structure for storing items
• Arraylist 声明了一个 名为 elementData 的 array instance; 类型为 Object[] elementData，以及一系列的配套 methods。
• 如果 array 空间不够，会创建一个新的 Object array

• 创建时不需要指定 type(Raw type)
• 当 parameter 提供的时候，arraylist 会转换为对应的版本类型（parameterized type）
• 未指定长度的 arraylist 长度为 10（10 个值为 null 的连续地址）。arraylist 用 Capacity 来描述长度。
• 如果不指定类型，被存储的内容类型可以不同

//generic creation, 10 capacity
ArrayList playlist = new ArrayList();
//generic creation, 5 capacity
ArrayList playlist = new ArrayList(5);
//type sepcified creataion
ArrayList<elementType> aList = new ArrayList<elementType>(initialCapacity);
//type sepcified creataion (after java 7). type on righthandside can be omited.
ArrayList<String> playlist = new ArrayList<>(5);

ArrayList<String> playList = new ArrayList<>();
//adding element to the end of the list(push_back())
playList.add("Humpty Dumpty");
//remove
playList.remove("Humpty Dumpty");
//print, will call toString()
System.out.println(playList.toString());

Arraylist 定义的类型是 Object[]。如果需要在 arraylist 中使用 primtive type，那么需要使用 Java 中对应的 Object（match wrapper type）。比如 int 对应 Integer Object。这个把 primitive type 自动转化为 对应的 wrapper type 的过程被称为 AutoBoxing。

public static void main(String[] args) {
    ArrayList<Integer> intList = new ArrayList<>();
    intList.add(1);
    intList.add(2);
    intList.add(3);
    for(int num : intList) {
        System.out.println(num);
    }
}

Java 中自带 GenericLinkedList 类。初始化方法：

GenericLinkedList<type> newList = new GenericLinkedList<>(iniParamterList);

在 Java 中，如果声明类型与对象类型不一致，在调用对象类型中的 method 时，需要进行 casting 确保调用的对象和方法的一致性：

//class Bin info for demo
private Object content;
public Bin(Object content) {
    this.content = content;
}
public Object getContent() {
    return content;
}
//instantiate
Bin car = new Car("yuhina", "spark", 2037));
//call
((Car).car).getContent();

//simiar to template in C++
//T can be replaced with any meanful name
Class className<T>

public class Bin<T> {
    private Object content;
    public Bin(T content) {
        this.content = content;
    }
    public T getContent() {
        return content;
    }
}
//instantiate, a specific type needed
Bin<Car> car = new Car("yuhina", "spark", 2037));
//call, casting is nolonger needed.
car.getContent();

如果希望一个 generic class 特化多个类型，可以直接在 typename list 里面添加：

className<T1,T2,...Tn>

public class Bin<X, Y> {
    private X content1;
    private Y content2;
    
    public X getContent1() {
        return content1;
    }
    
    public void setContent(Y content2) {
    this.content2 = content2;
}
//intansiate
Bin<Car, Dog> = new Bin(Car("Yuhina", "Spark", 2037), Dog("puppy"));

• 限制 T 的类型必须是某个类的子类：

//T must be the subclass type of the Insert class
Bin<T extends Insert>

• 限制 T 的类型必须是某个 interface 的实现：

Bin<T extends Comparable>

• 以上限制可以叠加：

Bin<T extends Insert & Comparable & Groomable>

//T is an Comparable type(can call compareTo())
public class Compartment<T extends Comparable> {
    private T content1;
    private T content2;

    public Compartment(T content1, T content2) {
        this.content1 = content1;
        this.content2 = content2;
    }

    public boolean Greater() {
        return content1.compareTo(content2) >= 0 ? true : false;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Compartment<String> test = new Compartment<>("Hello", "Hello");
        System.out.println(test.Greater());
    }
}

ArrayList 的几个劣势：

• 初始化需要占指定空间
• 插入非尾部元素需要移动其他元素

• Node:
  • 存储数据
  • 存储指向下一个元素的地址

private class Node<E>
{
    E data;
    //Node<E> type is an reference(address) 
    Node<E> next;

    Node(E data, Node<E> next) {
        this.data = data;
        this.next = next;
    }
}

//empty list
Node<E> mylist = new Node<E>(newData, null);

链表需要同时管理两个指针：

• head 指向链表的起始元素地址
• current 指向当前元素所在的地址

因此，head 的初始化为首元素的地址。如果值为 null，则链表不存在元素。因此，链表的初始化可以写成下面的形式：

//head has default value null
//right hand side equals new Node<E>(newData, null);
//after init, head points to the first Node
head = new Node<E>(newData, head);

该方式会在现有的 head 之前添加元素：

1. 创建新节点：将该节点指向 head
2. 更新 head：让 head 指向刚被创建的新节点

很容易看出来， addToFrount() 方法无论是初始化还是添加节点到现有链表，其逻辑都如下：

head = new Node<E>(newData, head);

遍历需要使用到 current 指针：

1. 遍历从 head 开始：current 的初始值与 head 相同
2. 循环中，currrent 的值会更新为 next 中的地址，也就是下一个节点的地址
3. 当 current 值为 null 时，表示当前链表已经没有元素，遍历结束

Node current = head;
while(current != null)
{
    //do sth
    current = current.next;
}

该方式中，新建的节点永远都处于链表的最后一位。

1. 初始化节点：节点的 next 初始值为 null，因为每次添加的元素都会成为链表最后一个元素
2. 如果链表只有一个节点，那么当前的节点就是 head 的位置
3. 否则，使用 current 遍历链表，直到遍历到最后一位节点，
4. 修改之前的节点指向地址为之前初始化的节点。

注意循环的条件：current.next != null

//new date will always be the end of the list
Node<E> node = new Node<E> (newData, null);
//init current
Node<E> current = head;

//if there is only one node in the list, then point head to the node
if (head == null) {
    head = node;
}
//else, trverse to the end of the list
else {
    while(current.next != null) {
    current = current.next;
    }
    //point the last node to the new created node to make it as the newest last one.
    current.next = node;
}

链表中的打印需要遍历整个链表。默认从开头开始打印。

public String toString()
{
    String result = "";

    Node<E> current = head;
    while (current != null) {
        result = result + current.data.toString() + "\n";
        current = current.next;
    }
    return result;
}

• 如果链表为空，直接返回 false
• 如果不为空，则遍历查询比较（使用 equal()）是否存在匹配关键词的元素。有则返回 true。
• 搜索完毕没找到返回 false。

public boolean contains(E key)
{
    if(isEmpty()) {
        return false;
    }
    boolean isFound = false;
    Node<E> current = head;
    while(current != null) {
        if (key.equals(current.data)) {
            isFound = true;
            break;
        }
    }
    return isFound;
}

由于 Java 的 GC 机制，删除的节点本身资源的释放会自动进行。我们只需要重新将 head 指向第二个节点即可。具体步骤：

• 检测当前链表是否为空，如为空返回 null
• 获取被删除节点中的数据
• 重新定向 head
• 返回被删除节点的数据

public E removeFromFront()
{
    if(isEmpty()) { 
        return null;
    }
    else {
        E removedData = head.data;
        head = head.next;
        return removedData;
    }
}

由于需要删除最后一个节点，removeFromRear() 需要对倒数第二个节点进行操作。又因为访问链表尾部元素必须通过遍历进行，如果以倒数第二个节点为循环结束点，循环条件需要从：

while(current.next != null)

while(current.next.next != null)

1. 如果链表为空，返回 full
2. 如果链表长度为 1，也就是 head.next = null 时：
   1. 缓存节点的数据
   2. 将 head 设为 null (代表空链表)
   3. 返回缓存数据
3. 如果链表长度大于 1：
   1. 遍历到倒数第二个节点
   2. 缓存最后一个节点的数据
   3. 将倒数第二个节点的指向设为 null，使之成为最后一个节点

public E removeFromRear()
{
    E removedData;
    if(isEmpty()) {
        return null;
    }
    
    else if (head.next == null) {
        removedData = head.data;
        head = null;
    }
    else {
        Node<E> current = head;
        while(current.next.next != null)
        {
            current = current.next;
        }
        removedData = current.next.data;
        current.next = null;
    }
    return removedData;
}

ArrayList 有数据访问上的优势：

• random access 非常快（通过下标即可）
• 链表需要通过遍历才能进行访问，最差情况为 $O(n)$

• method 可以调用其本身
• mehod 应该具有某种机制作为终止条件，允许返回

• 终止条件（base call）：不需要进行递归调用就可以进行 return 的语句
• 递减步骤（reduction step）：使递归调用朝着终止条件的方向进行
• 递归调用（recursive call）

• 对输入范围进行额外的限定
• 使用 IllegalArgumentException 控制输入范围（如果不满足条件，则抛出该异常）

• Stage: window
• Scene: 内容

使用 JavaFX 的类会继承自 javafx.application.Application。该类中定义了一个抽象入口函数 start()。需要使用 javaFX 的类都需要实现该函数（可以认为是 JavaFX 里的 main()）

public class JavaFXTest extends Application {
    public void start(Stage mainStage) {
    //....
    }
}

• Stage：当前的窗口
• Scene：由窗口中的元素以及其布局组成

Events 代表了用户的操作。JavaFX 中的 Event 继承自是 ActionEvent ：



如果需要处理 Events，需要实例化对应类型的 Events，比如鼠标点击按钮：

btn.setOnAction(new CustomEventHandler());

• Handler 中必须定义一个 handle() 函数
  • 通过继承接口 EventHandler 实现。EventHandler 包含了抽象函数 handle()
  • 用户需要根据 Event 的类型决定 EventHandler 的特化类型（点击鼠标的类型是 ActionEvent）

比如为点击按钮设置一个名为 CustomEventHandler 的类：

//CustomEventHandler implements EventHandler
//click button action has type ActionEvent
private class CustomEventHandler implements EventHandler<ActionEvent> {
     
    //rewrite handle
    //handle parameter has type T to ensure the parameter macting the event type
    public void handle(ActionEvent event) {
        System.out.println("Hello Wolrd!");
    }
}

• EventHandler 必须是 private 类型，并且是内部类（Inner class）

Panes 为整个 Stage 提供布局。其扮演了一个组件容器的角色：

StackPane root = new StackPane();

实例化 Pane 之后，我们就可以将之间创建的组件通过 getChildren() 成员放入该容器中了：

//adding button element to the container
root.getChildren().add(btn);

• Layout 类别中的类都是 StackPane 的子类，代表了不同的布局方式。如果没有合适的，可以自己通过继承 Pane 来自定义布局。参考：文档
• 元素组件被称为 leaf node
• Layout 本身不必是根部节点，也可以是分支节点（嵌套布局）

EventHandler 可以用 inner class 的方式实现：

EventHandler<ActionEvent> CustomEventHandler = new EventHandler<>() {
    public void handle(ActionEvent event) {
        System.out.println("Helloworld");
    };
};
//notice CustomEventHandler is not a cstr. it is an reference name now.
btn.setOnAction(CustomEventHandler);
<code>
如果只使用一次，可以写成匿名的形式直接作为 ''setOnAction()'' 的参数：
<code js>
btn.setOnAction(
    new EventHandler<ActionEvent>() {
        public void handle(ActionEvent event) {
            System.out.println("hello world");
        };
    }
);

上述的 EventHandler 还可以使用 Lambda 表达式进一步的改进：

btn.setOnAction(event -> System.out.println("helloWorld"));

• handle() 可以省略，因为 EventHandler 中只有一个函数
• ActionEvent 也可以省略，Java 可以根据 EventHandler 自动推断类型
• 如果 handle() 的定义之后一行，连大括号都可以省去

• 定义 ComboBox

ComboBox<String> pickScaleFrom = new ComboBox<>();

• 添加选项到 Combobox

pickScaleFrom.getItems().addAll("Fahrenheit", "Celsius");

• 设定默认选项

pickScaleFrom.getSelectionModel().selectFirst();
pickScaleTo.getSelectionModel().selectLast();

• 从 ComboBox 中获取选项值

String scaleFrom = pickScaleFrom.getValue();

• 打印值到 Label 区域

result.setText(String.format("%.2f", conversionResult));

• 创建 Label

abel from = new Label("From:");

• 创建 TextField

TextField userInput = new TextField();

• 获取 TextField 中的内容（in string format）

//userInput is an TextField instance
userInput.getCharacters().toString();

//define
Alert a = new Alert(AlertType.ERROR);
//title
a.setTitle("Error");
//error message
a.setHeaderText("Invaild Temperature");
//details
a.setContentText("That is not a valid tempature");
//keeping the dialog box show up, pause the program
a.showAndWait();

• 创建 Layout

//keep the element in the same row
HBox input = new HBox();
//
VBox scales = new VBox();

• 设置对齐方式：

input.setAlignment(Pos.CENTER);

• 设置间距

scales.setSpacing(10);

• Layout 的嵌套

root.getChildren().addAll(input, scales, convertButton, result);